What fenomen orsakar ökning av drag med regn?

14

Jag vet att regn generellt förvärrar flygplanets aerodynamiska egenskaper.

Jag undrar vilka processer som orsakar ökningen av dra.

Jag är mest intresserad av General Aviation, därmed relativt låg hastighet och låga höjder.

Flera saker jag kan tänka mig, även om effekterna kan vara små:

  • Vattnet i luften gör det tyngre, vilket ökar luftens täthets effektiva värde, $ \ rho $
  • Regn kan sänka temperaturen, vilket har en effekt på $ \ rho $
  • Regndroppar på vingen kan orsaka tidigare övergång på vingen, vilket ökar dra.

Jag hoppas att någon kan klargöra vilken storlek dessa effekter har, och om det finns några fler effekter som orsakar ökad drag när man flyger i regnet.

    
uppsättning ROIMaison 18.02.2016 14:09

2 svar

4

Medan Peter Kämpf redan kommenterade effekterna tar jag en titt på siffrorna. Förvänta dig inte att dessa beräkningar är exakta förutsägelser, snarare värsta fall för att veta storleken på följande effekter:

  • Massförstoring på grund av regnfall
  • Krafter på grund av att droppar slår på vingen
  • Tidig utlösning av gränsskiktet

Efter att ha dragit ner några ekvationer, matar jag dem med data från två olika flygplan.

Massförstoring på grund av regnfall

Duggskiktet du hittar på din flygplan på morgonen kan nå en maximal höjd på 0,8 mm. Regndroppar, som inte fyller hela vingytan, brukar inte överskrida 2 mm diameter. Därför bör en genomsnittlig fördelad höjd på $ h_W = 1mm $ för vattnet på vingen fortfarande vara en sämst fallande förutsägelse.

$$ m_ {Drops} = \ rho_ {W} \ cdot A \ cdot h_W $$

$ A $ är det planerade området för flygplanet i horisontalplanet och $ \ rho_W $ vattentäthet.

Krafter på grund av att droppar slår på vingen

Normal regnintensiteter är ca 5 mm / timme och vi talar redan om våldsamt regn med nederbördsgrader över 50 mm / timme. Men låt oss ta tyngsta hastigheten någonsin uppmätt: $ I_R = 38mm / min $.

Droppar faller normalt med $ v_ {Drop} = 10m / s $.

För att förenkla beräkningen antar jag vertikalt regn och att en gång en droppe träffar flygplanet sitter den fast vid den. I verkligheten accelererar du inte varje droppe till flyghastigheten eller sänker sin vertikala hastighet ner till 0.

i) Dra öka

$$ \ Delta D = \ rho_ {W} \ cdot I_R \ cdot A \ cdot v_ {flygplan} $$

ii) Lyftminskning

$$ \ Delta L = \ rho_ {W} \ cdot I_R \ cdot A \ cdot v_ {Drop} $$

För att beräkna total drag ($ D = C_D \ cdot \ frac {\ rho_ {Air}} {2} V ^ 2 \ cdot A $) har jag använt $ C_D = 0.035 $. $ V $ är flygfartygets kryssningsfartyg.

Tidig tripping av gränsskiktet

Medan det är möjligt att hitta flygplanspolar i regn som söker på Internet, tittar jag först på ett "bugs influence" -diagram där du kan se effekten av små störningar i näsan utan att andra effekter är överlagrade. Fel och regndroppar har samma storlek, därför bör jämförelsen vara giltig.

Källa

Polar ovan visar hur draget kan dubbla (100% ökning) bara på grund av några små störningar i framkanten. Tänk på att i moderna profiler kommer effekten troligtvis att vara mindre. Nästa polar är från en flygplans flygplatta.

Källa

Medan inte så viktigt som i glidflygplanet, ökar dragkoefficienten (experimentella resultat) överallt minst en tvåsiffrig procentandel.

Flygplan

Jag har tagit två flygplan med riktigt olika vingebelastningar: A1 skulle vara något mellan de två Solar Impulsmodellerna och A2-enmotorns fyra-sitsar som en Cessna 172. De sista tre raderna ger drag-, hiss- och massskillnaden som beskrivits ovan som en procentandel av dess totala värde.

391.133

SAMMANFATTNING

För ett normalt GA-flyg minskar vattenmassan på vingarna och hissen påverkan på grund av att regndroppar träffar vingen, med tanke på de värsta möjliga förhållandena är låga enkelsiffror.

Medan dragförhöjningen på grund av att droppar slår på är vingen relevant i det extrema fallet jag tog här, under normala förhållanden bör det ligga under enstaka procentandelar.

Å andra sidan är dragförhöjningen på grund av den tidiga tripping av gränsskiktet minst en tvåsiffrig procent, vid höga lyftkoefficienter ännu mer.

Flygplan med lägre vingebelastning påverkas mer av regnfall.

    
svaret ges 20.02.2016 13:32
3

Flyga en Schempp-Hirth Janus eller en PIK-20 till regn. Effekten blir dramatisk. Se till att du har någon plats att landa i närheten! I båda glidarna blir din sjunkhastighet tredubblad och minsta hastigheten ökar med kanske 20 km / h, så se till att du kommer in snabbt för landning medan vingen fortfarande är våt.

Anledningen är flygbladet, Wortmann FX 67-170 . Med 17% relativ tjocklek och ett mycket långt laminärt gränslager kan återkomprimeringen inte hanteras av ett gränsskikt som har trippats nära framkanten. Konsekvensen är flödesseparation redan vid måttliga angreppsvinklar om vingen är smutsig från buggar eller regn. Flygprestandan förändras dramatiskt.

Gör sedan detsamma med en Schempp-Hirth Discus eller en ASW-20 . Sinkhastigheten ökar, men effekten är mycket mindre dramatisk och minsta hastigheten kommer knappt att gå upp.

Det finns ingen allmän tumregel, och två av de tre anledningarna du misstänker är faktiskt de viktigaste effekterna: Tillagd massa från vattenfilmen över alla övre ytor och tidig utlösning av gränsskiktet. I stora flygplan där övergången händer nära framkanten ändå är skillnaden som gjorts av regn väldigt liten. Det kan till och med hjälpa till med att öka motorns dragkraft: Regn kommer att kyla luften och genom att absorbera värme när förångning sänker temperaturhöjningen i kompressorn hos en jetmotor. Observera att många tidiga jets använd vatteninjektion för att öka motorns kraft på heta och höga flygfält.

För små flygplan med lägre volymer till ytanivåer är masshöjningen mer märkbar, och om flygbladet optimerades för minimal drag under rena förhållanden, kommer den tidiga övergången att ge en dramatisk förändring i några få fall. Flygplåtarna för de mest drivna flygplanen är inte så känsliga för regn. Normalt flyger dessa flygplan VFR, och sänkning i synlighet som orsakas av regn kommer att vara den största effekten.

    
svaret ges 18.02.2016 23:13